Verschleißmechanismen sind in der Regel unerwünschte Mechanismen, die zum Spontanversagen der Kontakte führen können (Adhäsion, Fressen), zumindest jedoch die Lebensdauer tribologischer Kontakte begrenzen (Werkstoff-Ermüdung, Zerrüttung, tribo-chemische Vorgänge, Verschleiß). Wichtig ist es daher diese Versagensgrenzen zu kennen und die Kontakte so zu gestalten, dass das Arbeitsgebiet des Kontaktes innerhalb dieser Grenzen bleibt. So wird im Betrieb ein Versagen vermieden.
Ein einfaches Beispiel, das wir Alle aus eigener Erfahrung kennen, ist das Händereiben im Winter. Reiben wir langsam ist es sehr angenehm. Reiben wir jedoch schnell und fest, wird es richtig warm und unangenehm. Hier sehen wir bereits zwei wichtige Mechanismen. Die durch Reibung entstehende Wärme kann auch einen Werkstoff schnell überfordern. Ebenso entsteht durch Reibung auch Verschleiß. Das kann an den Händen zu Blasen führen und ist in technischen Kontakten ebenfalls ein Problem.
Typische Verschleißmechanismen technischen Kontakte sind
- Verschleiß, Materialabtrag, Abrasion
- Zerrüttung/Ermüdung (Werkstoffermüdung auf Grund mechanischer und/oder tribologischer Beanspruchung, auch von der Oberfläche oder oberflächennah ausgehendes Versagen z.B. Mikropittings, Grübchen)
- Adhäsion (ein Verschweißen der Oberflächen, weitere Information unten)
- tribochemische Reaktionen (z.B. durch die Oxidation)
Zudem gibt es Mechanismen, wie
- Kavitationserosion, Strahlverschleiß, Erosionsverschleiß
- Fretting (überlagerte Korrosion)
- Korrosion, Spannungsrisskorrosion
- Werkstoff- und/oder Gefügeveränderung wie z.B. durch Wasserstoff-Versprödung oder Risse bzw. white etching cracks
Die Festigkeitsgrenzen und die Verschleißmechanismen wie die Abrasion, Adhäsion und Oberflächenzerrüttung begrenzen das Arbeitsgebiet. Für die zuverlässige Funktion kann der Kontakt nur innerhalb dieser Versagensgrenzen betrieben werden. (Schematische Darstellung für einen Wälzkontakt)
Das Design und die Rand- und Umgebungsbedingungen beeinflussen das Auftreten und auch die Intensität der Verschleißmechanismen.
Die Verschleißmechanismen begrenzen die Lebensdauer eines tribologischen Kontaktes und damit des Produktes. Durch das korrekte Design können viele Mechanismen vermieden werden. Dagegen betrachten wir Mechanismen, wie die Ermüdung oder den Verschleiß mit besonderer Sorgfalt. Dies sind oft lebensdauerbegrenzende Verschleißmechanismen. Dazu ermitteln wir die Versagensgrenzen der Verschleißmechanismen und erstellen eine wear-map. So kann Ihr Produkt innerhalb des zulässigen Arbeitsbereichs betrieben werden.
Ursachen für Adhäsionsversagen sind bspw. mangelhafte Schmierfilmbildung/Benetzung der Oberfläche oder auch Schmierfilmversagen durch Scherbeanspruchung (verursacht bspw. durch hohe Schlupfanteile durch stehende Wälzpartner)
Ermüdung (Zerrüttung, Pittings) entstehen sobald die mechanische Ermüdungsgrenze eines der Wälzwerkstoffe überschritten wird. Bei einem Betrieb unter Mischreibungsbedingungen (Rauheitskontakte), durch Verunreinigungen, Partikel und auch durch die Veränderungen der Topografie (Verschleiß, Abrasion) ist die Ermüdung ein unvermeidbarer Verschleißmechanismus. Die Ermüdung begrenzt die Lebensdauer.
Wozu sollten die Verschleißmechanismen in der Praxis beachtet werden?
Verschleißmechanismen werden wesentlich beeinflusst von den eingesetzten Werkstoffen und den Schmierstoffen und die darin enthaltenen Additive/Zusätze. Zudem von Zwischenstoffen in den Kontakten, deren Veränderungen (Verschmutzung, Wasseraufnahme) und Alterung im Laufe des Betriebs. Das heißt, für die Beurteilung eines Systeme sind auch die Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen.
Zahlreiche Einflussfaktoren auf die Verschleißmechanismen bieten Potenzial zur Optimierung der Lebensdauer, der Reibwerte und damit auch der Energie-Effizienz tribologischer Kontakte. Für ein robustes Design müssen die Einflüsse, deren Streuungen und Auswirkungen bekannt sein und bewertet werden. Dabei gilt es auch Wechselwirkungen und Überlagerungen zu berücksichtigen.
In der Regel können Verschleißmechanismen oder Versagensmechanismen durch das geeignete Design und den Betrieb innerhalb der als zulässig definierten Randbedingungen ausgeschlossen werden.
Diese Betrachtungen ermöglichen die Bewertung der Zuverlässigkeit und Grenzen eines Designs.
Die Dissertation Wälzkontaktermüdung bei Mischreibung gibt Einblicke in Verschleißmechanismen von konzentrierten tribologischen Kontakten und bewertet deren Einfluss auf die Lebensdauer. Link zur veröffentlichten Dissertation Wälzkontaktermüdung bei Mischreibung
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